Электростатический двигатель: Electrostatic motor – Wikipedia

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Презентация
• Наградные документы

Яроцкий Ф.Д. 1

1МБОУ ДО Центр детского (юношеского) научно-технического творчества [ЦНТТ]

Шишкин Е.М. 1

1Лаборатория радиоэлектроники МБОУ ДО ЦНТТ

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяДиплом участника II этапаДиплом за подготовку участника II этапаДиплом лауреата II этапаДиплом за подготовку лауреата II этапа

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке “Файлы работы” в формате PDF

АННОТАЦИЯ

Проект посвящен исследованию принципов работы и перспектив дальнейшего развития устройства электростатических двигателей.

Ключевые слова: электростатика, электростатические двигатели, электростатический маятник, колесо Франклина, лабораторный эксперимент.

Объект исследования в проекте:электростатика.

Предмет исследования в проекте:электростатические двигатели.

Цель проекта:экспериментально определить тип электростатического двигателя способного работать в вакууме.

Гипотеза:электростатический двигатель, работа которого основана на действии сил Кулона, способен работать в вакууме.

Задачи проекта:провести анализ учебных, научных, научно–популярных источников информации по выбранной тематике; выявить физические законы и принципы, объясняющие работу электростатических двигателей; провести испытания прототипов электростатического двигателя на способность работать в вакууме.

Практическую значимость проекта мы видим в том, что мы экспериментально доказали способность некоторых электростатических двигателей работать в вакууме открытого космоса.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Интернет источник

Закон Кулона: формулировка и определение, кулоновская сила и формула

Интернет источник

https://dspace.kpfu.ru/xmlui/bitstream/handle/net/130799/F_fmopip2017_98_101.pdf?sequence=-1

Интернет источник

https://www.youtube.com/watch?v=XqTLp7RxcbE

Научно-исследовательская работа. Физика

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ

Яроцкий Фёдор Дмитриевич

Краснодарский край, город Армавир

МБУ ДО ЦНТТ 7г класс

Научный руководитель: Шишкин Евгений Маленович, почётный работник общего образования РФ, педагог доп. образования высшей категории МБУ ДО ЦНТТ г. Армавира

ВВЕДЕНИЕ

«Человечество не останется вечно на Земле, но, в погоне за светом и пространством, сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет себе все околосолнечное пространство» – говорил в свое время Циолковский. Для освоения космического пространства появляется необходимость использовать двигатели, способные работать в условиях глубокого вакуума, надежные, экономичные и ремонт пригодные, использующие энергию, взятую в космосе.

Под эти характеристики подходит электростатический двигатель, принцип действия которого основан на использовании Кулоновских сил, перерабатывающий энергию космических излучений. В своей работе мы проверим способность одного из таких двигателей работать в вакууме и сравним его с похожим двигателем, но работающем на реактивной тяге ионного ветра.

Объект исследования в проекте:электростатика.

Предмет исследования в проекте:электростатические двигатели.

Цель проекта:экспериментально определить тип электростатического двигателя способного работать в вакууме.

Гипотеза:электростатический двигатель, работа которого основана на действии сил Кулона, способен работать в вакууме.

Практическую значимость проекта мы видим в том, что мы экспериментально доказали способность некоторых электростатических двигателей работать в вакууме открытого космоса.

1. Отбор электростатических двигателей принцип действия, которых основан на действии только сил Кулона от двигателей, работающих на принципе ионизации газов

Рассматривая устройство электростатических двигателей, способных работать в космосе при глубоком вакууме возникла необходимость отбора двигателей, принцип действия которых основан на действии только сил Кулона [1] от двигателей, работающих по принципу ионизации газов.

Оборудование для опытов:

Вакуумная тарелка, см. приложение 1, рис. 1.

Лазерный тахометр DT-2236C, см. приложение 1, рис. 2.

Маятник с параметрами L=130 мм, А=23 мм, D=16 мм, m = 2,1 грамм.

Колесо Франклина, d=100 мм.

Вакуумный насос VN-C4, см. приложение 1, рис. 3.

Вакуумметр ТВ5, класс точности 1,5. См. приложение 1, рис. 4.

Блок высокого напряжения Разряд-1, см. приложение 2, рис. 5.

Опыт №1, схема опыта представлена фотографией на рис. 7 в приложении 4.

Цель опыта: доказать, что отрицательное давление не влияет на работоспособность электростатического маятника.

Гипотеза: снижение атмосферного до отрицательного давления не влияет на частоту колебания электростатического маятника. Результаты измерения сведены в таблицу 1:

Табл. 1. Влияние отрицательного давления на

частоту колебания электростатического маятника

Анализируя табл. 1 можно сделать вывод, что снижение давления, а, следовательно, и концентрации ионов газа не оказывает влияние на частоту колебаний электростатического маятника.

Опыт №2, схема опыта представлена фотографией на рис. 8 в приложении 5.

Цель опыта: доказать, что отрицательное давление влияет на работоспособность колеса Франклина.

Гипотеза: снижение атмосферного до отрицательного давления влияет на частоту вращения колеса Франклина. Результаты измерения сведены в таблицу 2:

Табл. 2. Влияние отрицательного давления на

частоту вращения колеса Франклина.

Анализируя табл. 2 можно заметить, что уже при давлении в -80 кРа наше колесо Франклина прекращает своё вращение.

Анализируя совместно табл. 1 и табл. 2 можно утверждать, что, помещая исследуемый двигатель в вакуум, удаётся определить, какие силы заложены в его работу, силы Кулона или работа возможна только при ионизации газов.

2. Влияние формы электростатического поля на работу электростатического маятника

Для определения влияния формы поля на работу электростатического маятника мы провели физический опыт, в котором маятник сначала колебался в вакууме между пластинами, площадь которых больше площади поперечного сечения шара, потом равных площади поперечного сечению шара, а впоследствии – меньше площади поперечного сечения шара. Схема опыта представлена фотографией на рис 7, приложение 4.

Цель опыта: экспериментально определить зависимость частоты колебания электростатического маятника от площади пластин.

Гипотеза: отношение площади пластин к площади поперечного сечения рабочего тела влияет на частоту колебания электростатического маятника.

Результаты наблюдения за колебаниями сведены в таблицу 3.

Табл. 3. Результаты наблюдения за колебаниями электростатического маятника между пластинами с различной площади

Анализируя табл. 3 можно заметить, что отношение площади пластин к площади поперечного сечения шара определяет равномерность поля, в котором происходят колебания электростатического маятника. Колебания маятника устойчивы только в равномерном электростатическом поле.

3. Определение коэффициента полезного действия электростатического маятника как двигателя способного работать в глубоком вакууме

Схема работы электростатического маятника представлена на рисунке 9:

Рис. 9. Электростатический маятник.

На схеме работы электростатического маятника (рис. 8) применены следующие сокращения: F_Тяж – сила тяжести; F_уп – сила упругости подвеса; F_рав – равнодействующая сила между F_Тяж и F_уп; L– высота подвеса рабочего тела; R – радиус рабочего тела; –Ammи +Amm – соответственно отрицательная и положительная амплитуды перемещения рабочего тела; ?h – изменение высоты относительно линии горизонта проходящей через центр рабочего тела находящегося в равновесии при его движении от –Ammк +Amm.

КПД подвеса электростатического маятника можно определить как отношение механической мощности затрачиваемой на совершение механической работы к электрической мощности , затрачиваемой на заряд пластин и рабочего тела:

; (1)

Электрическую мощность , затрачиваемую на заряд пластин и рабочего тела, определим как произведение напряжения U подводимого к пластинам на ток I, протекающий по цепи:

; (2)

Механическую мощность , затрачиваемую на перемещение рабочего тела, определим как отношение механической работы за время движения рабочего тела от точки равновесия до контакта с пластиной :

(3)

Механическую работу определим как произведение заряда рабочего тела , на напряжение, подводимое к пластинам U:

;(4)

Определим заряд рабочего тела как произведение электрической ёмкости рабочего тела C на электрический потенциал пластин в точке равновесия:

;(5)

Определим электрический потенциал пластин , относительно точки равновесия как половину напряжения подводимого к пластинам:

;(6)

Определим электрическую ёмкость рабочего тела как произведение диэлектрической проницаемости вакуума на радиус рабочего тела R:

; (7)

Подставив в выражение (4) выражение (5) будем иметь:

= ; (8)

Подставив в выражение (8) выражение (6) будем иметь:

; (9)

Подставив в выражение (9) выражение (7) будем иметь:

; (10)

Подставив в выражение (3) выражение (10) будем иметь:

;(11)

Время движения рабочего тела от точки равновесия до контакта с пластиной t соответствует половине периода колебания T – время движения от одной пластины к другой тогда:

; (12)

Подставив в выражение (11) выражение (12) будем иметь:

; (13)

Учитывая, что отношение соответствует частоте колебаний

Просмотров работы: 164

Принцип работы электростатического двигателя

Содержание

1. Принцип работы электростатического двигателя
2. Пластиковые двигатели Ефименко, питающиеся от воздуха
3. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ ЛИТОВЧЕНКО.

Два параллельных металлических стержня, между ними
металлический цилиндр. Казалось бы, этот набор деталей лишен всякого смысла,
но если приложить к стержням постоянное напряжение, цилиндр начнет вращаться. В
учебниках физики этот эффект пока не описан — калужский изобретатель Сергей
Сергеевич Литовченко обнаружил его совсем недавно.

Более трех веков назад изобретатель воздушного насоса, немецкий ученый Отто фон Герике поставил необычный по тем временам эксперимент.
Он наэлектризовал трением большой шар из серы и выпустил в комнате пушинку. Пушинка села на шар и тут же взлетела, к изумлению присутствующих. Сегодня каждому школьнику ясно, что шар притянул незаряженную пушинку, передал ей часть своего заряда и два заряда — пушинки и шара— заставили пушинку взлететь. Тогда, триста с лишним лет назад, Герике впервые доказал, что между заряженными телами существуют силы притяжения и отталкивания.

Как использовать эти силы? Вопрос актуальный — среди множества современных устройств, приборов электростатических относительно мало.
Литовченко удалось подметить в эксперименте Герике то, что до сих пор ускользало от взглядов ученых: пушинка и шар — колебательная система! Если бы Герике поставил рядом два шара и зарядил бы их электричеством разных знаков, пушинка стала бы равномерно колебаться между ними. Колебания можно использовать и для измерения времени, в механике, в электронных устройствах. Наконец, колебательное движение можно преобразовать в поступательное и во вращение.

Конечно, шар и пушинка были лишь первым толчком — для своего эксперимента Литовченко использовал две металлические пластины, к которым подключил источник высокого напряжения, и легкий металлический шарик. Как и полагал экспериментатор, шарик начал равномерно колебаться между пластинами. Затем шарик заменили металлической пластиной. Она завибрировала словно камертон.

Литовченко собирался дополнить конструкцию храповым механизмом и ротором, чтобы превратить вибрации во вращение, но.
Что заставило его поместить ротор между пластинами, трудно сказать. Может быть, чистое любопытство, может быть, интуиция изобретателя; так или иначе, ротор начал вращаться.

Двигатель продолжал работать и после того, как пластины заменили на стержни. Значит, дело было не в форме проводников. А в чем?

В обычном электромагнитном двигателе все ясно: магнитные поля статора и ротора направлены встречно. Статор жестко закреплен, и сила взаимодействия полей заставляет ротор проворачиваться. Коллектор, установленный на роторе, своевременно переключает его обмотки, чтобы магнитные поля всегда находились в противодействии.

В двигателе Литовченко магнитных полей нет. Да и откуда им взяться, если по стержням не течет ток? Ведь, как известно, магнитное поле вызывают движущиеся электроны. Но если
нет тока, и двигатель не потребляет электроэнергии, то как он работает?

Литовченко подключил последовательно с источником напряжения измеритель тока. Ток все же был. Маленький, в миллионные доли ампера, но был! «Ненормальный» электродвигатель подчинялся «нормальному» закону сохранения энергии, гласящему, что энергия не может взяться ниоткуда. Связь тока с вращением ротора подтвердили дальнейшие эксперименты: когда стержни отодвигали от ротора, ток исчезал, прекращалось и вращение.

Как преобразуется ток во вращение двигателя? Пока можем предложить лишь гипотезу.

Наверное, многие видели вечером или ночью светящийся, негромко шипящий разряд вокруг изоляторов высоковольтной линии электропередачи. Это коронный разряд, или, как его еще называют, корона. Физическая суть этого разряда заключается в том, что высокое напряжение ионизирует молекулы воздуха, превращает их в проводники электрических зарядов. Как считают большинство физиков, корона может переносить заряды со стержней двигателя на ротор, электризовать его, как электризовал пушинку шар в эксперименте Герике. Улететь подобно пушинке ротор не может — он закреплен. Вот и остается ему поворачиваться, стремясь убрать свой наэлектризованный бок от стержня-электрода. Но, как мы сказали, это всего лишь гипотеза.

Работа с высоким напряжением небезопасна. Литовченко однажды посоветовали заземлить ротор. Но заземлить его — значит отвести заряды. По «коронной» гипотезе, заземленный ротор вращаться не может. И все же Литовченко попробовал заземлить ротор. Скорость вращения. возросла.

Против гипотезы и тот факт, что между стержнями охотно вращаются не только металлические, но и пластмассовые роторы самой разнообразной формы и даже деревянные катушки из-под ниток!

Литовченко испытал уже десяток двигателей разной мощности, разных размеров. Все они работают не только от постоянного тока, но и от переменного, хотя «переменная» корона, как считают физики, может лишь слегка раскачивать ротор.

В общем, принцип работы двигателя неясен, но уже сегодня этот простой, необычно дешевый электромотор можно использовать на практике.

Сдастся эффект, обнаруженный Литовченко, физикам или часть его загадок останется на долю наших сегодняшних читателей — покажет время.

Источник

Пластиковые двигатели Ефименко, питающиеся от воздуха

А вы поверите в электродвигатель, который сделан почти полностью из пластика? Что может работать на мощности, передаваемой по воздуху? И «тащить» бесплатное электричество прямо из электрического поля Земли? Рассмотрим одну занимательную статью из журнала «Popular Science» аж за апрель 1971 года.

Эти замечательные машины сегодня практически неизвестны. И все же первый в мире электродвигатель был электростатическим. Он был изобретен в 1748 году Бенджамином Франклином. В 1870 году немецкий физик Й.К. Поггендорф построил такой простой двигатель. Весь мотор представлял собой пластиковый диск и два электрода. Но оба они так и не вызвали должного внимания.

И тут на сцене появляется Олег Ефименко. Родившийся в России физик посещал занятия в Геттингенском университета во второй половине 40-х, где профессор Р.У.Пол, демонстрировал две металлические пластины квадратной формы, закрепленные на конце шеста. Он высунул устройство на улицу из окна и перевернул его на 180 градусов. Гальванометр, прикрепленный к пластинам, резко дернулся.

Я никогда не мог забыть эту демонстрацию», — говорил после Ефименко. «И мне было интересно, почему, если в воздухе есть электричество, его нельзя использовать, чтобы зажечь лампочку или что-то в этом роде».

А затем Ефименко и его аспирант Генри Фишбаха-Назарио разрабатывал и усовершенствовал свои двигатели. Он экспериментировал с электретными моторами. Электрет — это изолятор с постоянным электростатическим зарядом. Он создает постоянное электрическое поле в окружающем пространстве, так же как магнит создает постоянное магнитное поле. И как магнит, он может быть использован для создания двигателя.

Особенно показательным был так называемый «климатический эксперимент». В ночь на 29 сентября 1970 года Ефименко и Уокер вышли на пустую парковку и подняли на 8-ми метровую высоту шест-антенну, окрашенную в оранжевый цвет. На конце шеста было немного радиоактивного материала в капсуле, связанной с проводом. Экспериментаторы подключили электретный мотор к антенне, и, как описывает его Ефименко, «энергия электрического поля Земли была преобразована в непрерывное механическое движение». Два месяца спустя они успешно эксплуатировали мотор, питающийся от воздушного электричества.

В университете Западной Вирджинии у Ефименко лаборатория, полная экзотических устройств, которые вращаются и гудят, как рой пчел. «И, в принципе, — утверждает доктор Олег Ефименко, — они могут делать все, что могут делать электромагнитные двигатели, и некоторые вещи, которые они могут делать лучше».

Если вам понравился материал, пожалуйста, ставьте лайки и подписывайтесь на канал. Это не сложно и бесплатно, но очень важно для развития «НМ». Спасибо, что вы с нами!

Источник

Сергей Сергеевич Литовченко, высокий, стройный, загорелый, под пятьдесят, кандидат технических наук, заслуженный изобретатель РСФСР, автор 60 изобретений, буднично открывает портфель, вынимает несколько деталей размером с миску, легко соединяет их и втыкает штепсельную вилку в розетку сети. Так и подмывает побиться с ним об заклад, что самоделка не заработает. Очень уж она неказиста и нехитра с виду. Посмотрите, как устроен один из двигателей, а их у изобретателя с десяток (рис. 1).

Рис. 1. Устройство нового двигателя: статор, выпрямитель и роторы — диэлектрический и металлический. Статор — это пластиковый цилиндр с электродами (проволоками) внутри, на которые поочередно поданы высокие потенциалы разного знака (красный и синий цвета).

Обычный цилиндр из капролона высотой 54 мм. На его внутренней поверхности диаметром 146 мм вдоль оси равномерно и по отдельности уложено 36 бронзовых проволок диаметром по 0,8 мм. На половину из них от выпрямителя подается высокий потенциал положительного знака, а на другую половину отрицательного. В полость цилиндра вставляется опять-таки капролоновая болванка без каких-либо электродов высотой 40 мм, диаметром 140 мм и массой 200 г. Впрочем, можно воспользоваться и алюминиевой звездочкой с 36 лучами. Вот и все премудрости.

Если вы знакомы с электротехникой, то на ум приходит ближайший аналог электростатический двигатель (рис. 2). Там тоже на статор подается высокое напряжение, но его надо подать и на ротор. А, кроме того, естественно, нужны щетки, чтобы при провороте ротора его полудиски перезарядились и снова оттолкнулись от пластинок статора.

Рис. 2. В обычном электростатическом двигателе полудиски ротора Р1 и Р2 отталкиваются от неподвижных пластинок статора C1 и С2. Щетки меняют заряды на полудне ках ротора, и направление момента вращения остается неизменным.

На исключительно важной роли щеток, пожалуй, следует остановиться особо. Ведь, по существу, нам известны электромашины только переменного тока (или заряда). Машины постоянного тока (или заряда) получают из первых, дополняя их выпрямителями, механическими или электрическими. Это и понятно: немыслимо длительное время толкать ротор в одну и ту же сторону силами одного и того же тока (или заряда) либо машина должна стать неприемлемо большой, либо ток (заряд) должен быть чудовищно велик. Итак, бесщеточных машин просто быть не может, и эта истина уже многие десятки лет считается раз и навсегда доказанной. Сотни теоретиков, тысячи изобретателей сами убедились в ее правоте и убедили электриков всех последующих поколений.

Самый простой вентилятор: его ротор вращается между электродами с постоянным напряжением.

Но «чудо» все же происходит. В капролоновом цилиндре-статоре со скрипом и легким шелестом начинает набирать обороты капролоновая болванка ротор, который через несколько секунд превращается в бешено вращающийся овал. Между ротором и электродами статора проскакивают искорки, от моторчика попахивает озоном, как при грозе. Если погасить свет, кольцеобразный зазор таинственно мерцает, тихонько потрескивают электрические разряды.

Вал двигателя можно, хотя и с трудом, затормозить пальцами, ведь крутящий момент не превышает 40 — 80 Гсм. Остановленный ротор на ощупь холоден, да это и не удивительно: разные модификации двигателя потребляют мощности 4 — 6 Вт при очень малых токах (0,2 — 0,6 мА), но зато при высоких напряжениях (1 — 8 кВ).

«Ротор может вращаться в любую сторону», — говорит изобретатель. Он задерживает вал и прокручивает его в обратном направлении. Болванка снова, чуть поскрипывая, набирает бешеные обороты, 25 — 40 в секунду. Затем Сергей Сергеевич демонстрирует нам и другие машинки, созданные им совместно с Н. Тимченко. Мы соглашаемся, что дело не меняется от того, сделан ротор из диэлектрика или из металла. Только в первом случае цилиндры могут быть гладкими, а во втором обязательно лучевыми, звездообразными, словно велосипедное колесо со спицами, но без обода. Кстати, если ротор звездочка, то некоторая ориентация ее лучей способствует предпочтительному вращению в одну сторону, но противоположное перемещение по-прежнему не запрещается. Разряды с электродов статора обычно стекают навстречу движущимся точкам ротора.

Чем же поражают эти двигатели? Ну, во-первых, отсутствием щеток. Стало быть, при эксплуатации не надо беспокоиться об их истирании, изломе, износе, о потерях за счет кругового огня на коллекторе. Во-вторых, своей предельной простотой: вал с подпятниками да статор с электродами. В-третьих, быстротой вращения ротора, причем в любую сторону куда пожелаете. Вполне возможно, что число оборотов удастся повысить еще больше, поскольку здесь нет вращающегося поля, как в машинах переменного тока, ограничений на такое увеличение не предвидится.

Теперь оставим фактическую сторону вопроса: как работает двигатель (хотя Литовченко, Тимченко и подключившиеся к их исследованиям десятки специалистов уже собрали солидный экспериментальный материал). Пора ступить на зыбкую тропу гипотез: почему же он, собственно, работает? И профессионалы, и любители от науки высказали немало догадок о причинах вращения роторов. Если отбросить предположения, в которых непонятное явление описывается гораздо более непонятными воздействиями «черных дыр», пульсациями гравитационного поля, неоднородностями физического вакуума, то останется 5 — 6 добротных инженерных мнений. Вкратце о них можно сказать следующее.

По одному из предположений, сила вращения объясняется эффектом, обнаруженным Г. Герцем в 1881 году и подробно описанным его соотечественником Г. Квинке через 15 лет. Этот эффект уже неплохо изучили ученые Москвы и Минска, занятые магнитогидродинамическими машинами, жидкостными электронасосами.

Его суть сводится к спонтанному вращению диэлектрического образца в электрическом поле из-за того, что жидкая, так называемая электрореологическая, среда поляризуется, а потом смещается кулоновскими силами поля, увлекая за собой ротор. Но расчеты показывают: эти силы тяги куда меньше тех, что развивает необычный мотор. К тому же эффект Герца Квинке проявляется при много больших напряжениях (10 — 20 кВ). И еще: если на образец нанести тонкое металлическое покрытие, эффект исчезнет, а у Литовченко отлично крутятся алюминиевые звездочки. Наконец, здесь нет и речи о какой-либо специальной жидкости.

Точно так же отпадает вторая гипотеза об электрическом ветре, якобы стекающем с ротора и тянущем его реактивными силами. Ведь заряды стекают с электродов статора навстречу движению ротора, а с ротора по ходу движения. И в том, и другом случаях они должны тормозить ротор. Опять же у потоков плазмы столь малое количество движения, что оно не может быть причиной вращения, для которого, как показали измерения, создаются силы примерно 10 Г.

Еще уязвимее третье объяснение принципа действия нового мотора. Сторонники этого мнения вспоминают об опытах Отто фон Герике, вошедшего в историю своими магдебургскими полушариями (две четверки лошадей не могли разъять отвакуумированные полусферы, прижатые друг к другу атмосферным давлением). Так вот, в 1660 году Герике наэлектризовал ладонью серный шар с голову ребенка. Пушинки притягивались, а, коснувшись шара, отталкивались. Об электрическом танце бумажек знал И. Ньютон. Сегодня хорошо известно, что в электрическом поле тела поляризуются и притягиваются к заряду, источнику поля. Коснувшись, они заряжаются одноименно и потому отталкиваются.

Поначалу и сам Литовченко пытался использовать электростатическую индукцию «в лоб». Металлический шарик, бумажная лента, текстолитовая палочка метались туда-сюда между пластинами конденсатора (рис.3), В одной из ранних статей (С.С. Литовченко, Н. М. Тимченко. «Явление непосредственного преобразования электрической энергии в механическую». Техника средств связи, вып. 7, 1978) описано, что от колебательного движения действительно удалось перейти к вращательному.

Рис. 3. Электрический метроном: между пластинами плоского конденсатора шарик поляризуется, притягивается к ближайшей из них, заряжается и отталкивается, касается другой, перезаряжается и снова отталкивается и т. д.

Но как это могло случиться? — вот в чем вопрос. Казалось, что проскоки обеспечиваются инерцией и упругостью ротора. Но если бы ротор смещался за счет притяжения к статору наведенных зарядов, то, поколебавшись и затратив на трение первичный импульс, он, в конце концов, занял бы устойчивое положение, электрод против электрода, попав в потенциальную яму. Но этого нет, ротор раскручивается, стало быть, действуют какие то другие силы. Вот их то и надо найти.

Еще одну, четвертую, гипотезу можно назвать «разряд как щетка». Наведенный заряд после приближения к электроду статора якобы стекает с ротора, а тот, уже нейтральный, по инерции прокручивается дальше. Следующий, очередной электрод вновь наводит на роторе заряды и притягивает их к себе вместе с ним. Они опять стекают, ротор проскакивает и т. д.

Бесспорно, столь «умно» ведя себя, разряд действительно сыграет роль электрощетки, дергая ротор в одну сторону. Если бы это было на самом деле, изобретение такого разрядного выпрямителя принесло бы в технике немало пользы. Что-то не видно причин предпочтительной односторонней зарядки-разрядки, да и распределение зарядов на статоре и роторе должно быть строго равномерным.

С другой стороны, полупериодный разрядный выпрямитель кажется правдоподобным. Ведь сочетание напряжений, токов и зазоров в новом двигателе как раз соответствует зоне зажигания самостоятельного разряда в воздухе (так называемая кривая Пашена). Мало того, работа двигателя явно зависит от погоды: давления, влажности, температуры. Это ли не свидетельство «разрядной» причины вращения, подтверждение коммутаторной роли тлеющего разряда?

Но не менее убедительно считать, что разряды просто маскируют истинные причины смещения ротора. Мало того, разрядные токи ухудшают экономичность работы двигателя: в одной из моделей механическая мощность на валу равна 0,16 Вт, а от высоковольтного источника потребляется 4,8 Вт. Несложно видеть, что КПД не превышает 3,4%. Конечно, для массового двигателя эта цифра мизерна. Вот бы убрать разряды с электродов статора! Если ротор будет крутиться по-прежнему, значит, гипотеза «разряд как щетка» отпадает. К тому же КПД неминуемо вырастет!

Пятое предположение появляется на базе следующих данных. Измерения, проделанные Литовченко, показали, что установившиеся обороты двигателя зависят от квадрата напряжения на электродах. Растет напряжение вдвое, обороты возрастают в 4 раза. Мало того, и вращающий момент на валу также пропорционален квадрату напряжения. Вывод очевиден: величины зарядов на статоре и роторе прямо зависят от напряжения. А следовательно, силы вращения зависят от произведения зарядов, то есть причина появления этих сил явно кулоновская. Попросту говоря, именно притяжение зарядов на электродах статора и зарядов, как-то наведенных на роторе, обеспечивает раскрутку. Теперь надо бы отыскать причину уменьшения этих сил после того, как луч ротора минует электрод статора. Но причина эта уже известна давно. Заряды на электродах статора вовсе не постоянны во времени, они беспрерывно пульсируют, ибо меняются электрические параметры цепи высокого напряжения!

Каждый луч ротора меняет емкость зазора между соседними электродами. Значит, в цепи статора потечет ток, подзаряжающий электроды. Частота пульсации тока зависит от емкости и индуктивности контура, а также жестко связана с оборотами ротора. Когда фазы электрических и механических колебаний окажутся смещенными на 20-30њ, подтягивание ротора станет сильнее торможения и он ускорится.

Если это все верно, то есть напряжение на электродах статора меняется циклично с зазором, то Литовченко изобрел автоколебательную электромеханическую систему, состоящую из ротора и электрической цепи статора. Примерно такой преобразователь изображен на рисунке 4. Источник энергии — выпрямитель или заряженный конденсатор (проверено на опыте). Возбуждаются колебания тока в статоре за счет «наведения зарядов на лучах ротора. Луч ротора втягивается в зазор, емкость статорного контура растет, заряд статорных электродов увеличивается, сила притяжения ротора статором становится больше.

Наконец луч ротора проскакивает электрод статора, силы между ними ослабевают, потому что заряд спадает по величине. Ротор раскручивается все быстрее, пока трение в осях не уравновесит момент вращения. Несложно видеть, что в статорной цепи устанавливаются мало затухающие колебания тока, зависящие в основном от напряжения, числа электродов, инерции ротора и трения в осях. Все это можно измерить экспериментальным путем, примерно этим и заняты заинтересованные специалисты.

Рис. 4. Автоколебательный электромеханический преобразователь с самовозбуждением за счет электростатического наведения: а)расчетная модель, б)колебания тока в статоре, в)механическое вращение ротора с частотой w, г) фазовая плоскость «ток — заряд конденсатора».

Общая математическая теория автоколебаний разработана детально, но аналитические решения нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка удаются нечасто. Автоколебательные преобразователи применяются весьма широко это анкерные часовые механизмы, радиотехнические ламповые генераторы колебаний. В некоторой степени новый двигатель можно уподобить параметрическому генератору, построенному в 1932 году Л. И. Мандельштамом и Н.Д. Папалекси. И тут и там меняются емкости контура, правда, по разным причинам. Энергия забирается либо от механического привода, либо от высоковольтного источника. Очевидна аналогия нового двигателя и с механизмами, использующими вынужденные колебания, только вместо навязывания заданной частоты электрическим источником она подбирается сама собой вместе с механической частотой вращения ротора.

Любопытно, что в опытах Литовченко столбики масла или подкрашенного воздуха колеблются около электродов, стало быть, в статорной цепи токи пульсируют. Нетрудно заметить, в последних рассуждениях о принципе работы двигателя мы исходили из того, что ротор металлический, звездообразный. Если же ротор диэлектрическая болванка, то картина хотя и становится несколько сложнее, но не теряет своей наглядности. При вращении сплошной ротор сильно деформируется, стало быть, зазоры меняются, а вместе с ними и емкость. Механизм действия остается тем же, но частоты автоколебаний выше, а фазы и амплитуды меньше. Разделять диэлектрический ротор на части нет нужды, он сам вибрирует, деформируется и гнется. Кстати, вот почему при работе двигателя слышны щелчки, скрипы и удары от зацеплений.

Итак, похоже, что изобретен бесколлекторный автоколебательный преобразователь электрической и механической энергии. В нем оригинально меняется емкость колебательного контура, за счет электростатической индукции. Удачно подобраны форма и материал роторов эмпирическим путем выполнено необходимое условие самовозбуждения: ведь жесткий массивный ротор неизбежно остановится, попав в равновесное положение.

Плохо то, что у конструкции низкий КПД, но это, как говорится, дело наживное всегда отыщутся способы повышения экономичности работы. Даже если устранить разряды, потери на трение в осях ротора и электрические потери в статорном контуре останутся. Обороты двигателя довольно стабильны, но давать нагрузку на вал опасно: из-за мягкой нагрузочной характеристики резонансного типа (резонанс напряжений) обороты резко изменяются. Вот почему силовые электродвигатели могут и не получиться, хотя в принципе ничто не мешает ввести быстродействующее регулирование напряжения на статоре. Возможно, что новые преобразователи найдут себе место в слаботочной технике в виде генераторов колебаний, регуляторов, стабилизаторов электрической частоты, задатчиков механических оборотов.

Но не забудьте все это лишь предположения. Поиски продолжаются. Придя домой после работы, Литовченко запирается в ванной комнате, где что-то паяет, вытачивает и клеит. Его засыпали письмами энтузиасты. К исследованиям подключились десятки научных лабораторий. И вот последние новости из Калуги: если на статор подать не постоянное, а переменное напряжение, двигатель работает лучше!

Подача переменного напряжения на электроды статора чрезвычайно расширит круг потребителей нового двигателя, потому что теперь оказываются излишними выпрямители. Упрощение и удешевление и без того недорогой конструкции значительное, а физика процесса от этого вряд ли меняется. Действительно, в промышленности переменным считается напряжение, величина которого пульсирует 50 раз в секунду. Для нас эта частота представляется огромной, но для электронов, создающих электрические токи, она почти незаметна. Поэтому столь медленно меняющиеся электрические поля все равно принято считать статическими, точнее квазистатическими. Вот почему в поисках объяснения принципа работы двигатель Литовченко по-прежнему остается в классе машин электростатических, а лучше квазиэлектростатических.

Может показаться, что вся эта история с калужским изобретением не столь уж важна, чтобы уделять ему много внимания. Но нет, работу Литовченко, скажем прямо, следует считать незаурядной, по крайней мере по трем причинам.

Во-первых, в электротехнике что-то не видно электрических машин столь же простой конструкции. Самые массовые двигатели, на плечах которых поистине держится вся промышленность мира, асинхронные. В них ротор предельно прост, его без особой натяжки можно назвать металлической болванкой. А машинки Литовченко проще! Это ли не событие? Поскольку в них вообще нет никаких обмоток, отпадает надобность в электроизоляции проводников самой трудоемкой работе при изготовлении электродвигателей любого типа.

Второй довод: кулоновские силы неизмеримо больше магнитных, но это преимущество обычно не используется из-за трудностей удержания зарядов на проводниках. Пробой изоляционных промежутков сводит на нет все достоинства электростатических машин. Досадно, но располагаемые нами материалы не позволяют широко использовать силы Кулона, и мы вынуждены обходиться куда меньшими силами Ампера Лоренца.

Отсюда как раз проистекает третий довод в пользу нового электромотора: электротехника неминуемо сместится в сторону пополнения электростатическими конструкциями, радикально изменив свой облик в ближайшие десятилетия. С помощью электростатических полей инженеры уже научились окрашивать, прясть, изготавливать искусственный ворс, улавливать пыль дымовых газов, но это лишь первые весточки грядущий весны под названием «электротехнология».

Источник

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ МОТОР ДЛЯ БУТЫЛКИ С СОДА

ИЩЕТЕ КНИГИ? Попробуйте поискать amazon. com: ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛИ, доктор Олег Ефименко, 1973 г. (вышло новое издание! 2011 г.) Все моторы доктора Ефименко в деталях, а также историческая информация о знаменитые электростатические двигатели прошлых веков. Статья: ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛИ, КОТОРЫЕ ВЫ МОЖЕТЕ СОЗДАТЬ (автор д-р Ефименко) Журнал Popular Science, апрель 1971 г., май 1971 г. Доктор Ефименко дает чертежи различных двигателей из оргстекла и фольги. Он бежит их от напряжения ясного неба, используя длинный провод и воздушный шар! Закажите старые номера этих журналов через программу межбиблиотечного абонемента по адресу ваша публичная библиотека. ЭЛЕКТРОСТАТИКА, А. Д. Мур Великий старик электростатики. Большой книга, имеет проект строительства генератора Di-Rod, большое количество электростатических демонстрационных устройств для научных исследований. учебный класс. Найдите в библиотеках. Есть также видео. Другие КНИГИ ПО ЭЛЕКТРОСТАТИКЕ

http://amasci. com/emotor/emotor.html
Создан и поддерживается Биллом Бити. Пишите мне по адресу: .

Электростатический двигатель | Хакадей

19 октября 2021 г. Том Нарди

Обычный пользователь Hackaday, вероятно, мог бы собрать грубую модель простого двигателя постоянного тока из того, что у них есть в мусорном ведре. Мы предполагаем, что некоторые из вас могли бы даже запустить бесколлекторный двигатель без особых проблем. А как насчет электростатического коронного двигателя? Если ваши знания о превращении высокого напряжения во вращательную энергию немного заржавели, пусть [Джей Боулз] покажет вам азы в своих последних Плазменный канал видео.

Как и многие из его проектов, этот коронный двигатель опирается на несколько листов акрила, несколько крепежных деталей и здоровую дозу физики. Фактическая конструкция и проводка двигателя, если вы извините за каламбур, шокирующе просты. Конечно, отчасти это связано с тем, что двигатель — это только половина уравнения, вам все еще нужен источник высокого напряжения, чтобы заставить его работать.

В этом случае [Джей] пересматривает свои более ранние эксперименты с атмосферным электричеством, чтобы обеспечить необходимый толчок. Одна сторона двигателя соединена с электродом из металлической сетки, который поднимается в воздух на 100 м дроном DJI Mini2, а другая сторона прикреплена к нескольким большим гвоздям, вбитым в землю.

Потенциал между ними заставляет двигатель вращаться и делает впечатляющую демонстрацию, но это не самый практичный способ экспериментировать с вашим новым коронным двигателем. Если вы предпочитаете запускать его на рабочем месте, он также показывает, что более традиционный источник высокого напряжения, такой как генератор Ван де Граафа, прекрасно справится с этой задачей. В качестве дополнительного бонуса он может даже питать устройство по беспроводной сети с расстояния в несколько футов.

Итак, что можно сделать с коронным двигателем? Хотя [Джей] быстро объясняет, что такого рода устройства точно не известны своим крутящим моментом, он показывает, что его двигатель способен поднимать 45-граммовый груз, подвешенный на веревке. Откровенно говоря, это больше мощности, чем мы ожидали, и заставляет нас задаться вопросом, есть ли — это некое квазипрактическое применение этой штуковины. Если есть, мы подозреваем, что он будет показан в будущем видео Plasma Channel , так что следите за обновлениями.

Читать далее «Дрон и высокое напряжение раскручивают самодельный двигатель Corona» →

25 августа 2018 г. Брайан Бенчофф

Если вы хотите, чтобы что-то двигалось с помощью электричества, скорее всего, вы будете использовать магниты. Глубоко внутри каждого сервопривода, каждого двигателя и каждого линейного привода находится магнит и несколько витков проволоки. Однако есть и другой способ заставить вещи двигаться: электростатика. Их обычно можно увидеть в крошечных устройствах MEMS, а теперь у нас есть крошечные электростатические динамики, которые используются в телефонах и других миниатюрных устройствах.

Для участия [Натана] в Hackaday Prize он строит электростатические приводы по дешевке, и не только крошечные. Он строит электростатические устройства «человеческого» масштаба.

Причина, по которой электростатические устройства обычно очень малы, проста: сила любого привода зависит от расстояния между пластинами и напряжения. Сдвигать пластины ближе друг к другу — это правильно, иначе они будут соприкасаться, поэтому решением для создания более крупных электростатических приводов является увеличение напряжения. [Натанн] делает это с дешевым повышающим преобразователем, который на самом деле продается как модуль электрошокера. Эти модули небольшие, имеют мощность около 800 кВ и стоят около пяти долларов.

Прототип этого проекта представляет собой напечатанную на 3D-принтере коробку с пересекающимися ребрами. Эти ребра покрыты алюминиевой фольгой, а коробка заполнена маслом для предотвращения искрения. Это будет работать? Это еще предстоит выяснить, но этот проект является отличным примером того, что можно сделать с помощью творческого поиска деталей, 3D-принтера и небольшого количества ноу-хау. Это одна из лучших работ, которые может предложить Hackaday Prize, и мы поражены тем, что [Натанн] приложил усилия, чтобы это произошло.

3 октября 2017 г. Стивен Дюфрен

Большинство электродвигателей, которые мы видим в наши дни, относятся к типу электромагнитных, и на то есть веская причина: они мощные. Но есть тип двигателя, который был изобретен раньше, чем электромагнитный, и существует множество его вариаций. Это двигатели, работающие от высокого напряжения, а также притяжения и отталкивания заряда, широко известные как электростатические двигатели.

Бен Франклин, чьи электрические эксперименты чаще всего связаны с запуском воздушного змея в грозу, построил и испытал один такой высоковольтный двигатель. Он был не очень мощным, но достаточно хорошим, чтобы он мог представить себе его использование в качестве гриля для гриля. Еда — мощный мотиватор.

Далее следует обзор разработки различных типов этих двигателей, от самых первых двигателей с ионным двигателем до асинхронных двигателей, о которых большинство никогда раньше не слышало, даже такой высоковольтный хакер, как ваш покорный слуга.

Читать далее «Слабый двигатель Бена Франклина и другие забытые движения» →

10 декабря 2015 г., Нава Уайтфорд

Моторы повсюду; Двигатели постоянного тока, двигатели переменного тока, шаговые двигатели и множество других. В этой статье я собираюсь выйти за рамки этих распространенных устройств и найти более эзотерические и необычные электронные актуаторы, которые могут найти место в одном из ваших проектов. В любом случае их механизмы интересны сами по себе! Присоединяйтесь ко мне после перерыва для осмотра пьезо-, магнитострикционных, магнитореологических, звуковых катушек, гальванометров и других приборов. Я также хотел бы услышать о ваших любимых актуаторах и двигателях, поэтому, пожалуйста, оставьте комментарий ниже!

Пьезоприводы и моторы

Пьезоэлектрические материалы иногда кажутся волшебством. Приложите напряжение к пьезоэлектрическому материалу, и он начнет двигаться, вот и все. Загвоздка, конечно, в том, что он мало двигается. Пьезоэлектрическое устройство, с которым вы, вероятно, больше всего знакомы, — это скромный зуммер. Обычно вы управляете ими с напряжением менее 10 вольт. В то время как зуммер издает отчетливо слышимый звук, вы не можете увидеть, как он изгибается (как показано выше).

Чтобы измерить движение зуммера, я недавно попытался привести его в действие с помощью пьезоэлектрического драйвера на 150 вольт, что привело к общему отклонению около 0,1 мм. Не очень много по обычным меркам!

Однако для некоторых приложений важнее разрешение, а не дальность хода. Именно здесь пьезоприводы действительно блестят. Примером применения пьезоприводов является, пожалуй, сканирующий зондовый микроскоп. Для этого часто требуется субнанометровая точность (менее 1000-й из 1000-й 1 миллиметра) для визуализации отдельных атомов. Здесь идеально подходят пьезо-стеки (хотя хакеры использовали и дешевые зуммеры!).

Иногда требуется высокая точность в большом диапазоне перемещений. Есть ряд пьезо-конфигураций, которые позволяют это сделать. В частности, Inchworm, «LEGS» и приводы с скользящим стержнем.

Привод PiezoMotor LEGS показан выше. Как уже отмечалось, пьезодатчики производят только небольшие (обычно субмиллиметровые) движения. Вместо того, чтобы использовать это движение напрямую, НОГИ используют это движение, чтобы «ходить» по стержню, толкая его вперед и назад. Таким образом, стержень перемещается с крошечными нанометровыми шагами. Однако пьезо могут двигаться быстро (сгибаясь тысячи раз в секунду). А LEGS (и аналогичный привод Inchworm) обеспечивает относительно быстрое движение с высокой силой и высоким разрешением.

Трюк со скатертью (да, это подделка, ребенок в порядке, не волнуйтесь. :))

Другой тип пьезоактуатора с длинным ходом использует «феномен прерывистого скольжения». Это очень похоже на фокус со скатертью, показанный выше. Если вы будете тянуть ткань медленно, между тканью и этой посудой возникнет значительное трение, и они будут тянуться вместе с тканью. Потяните быстро, и трения будет меньше, и посуда останется на месте.

Эта разница между статическим и динамическим трением используется в приводах с прерывистым скольжением. Основной механизм показан на рисунке ниже.

При выдвижении и замедлении челюсть вращает винт, но если пьезоблок быстро сжать, винт не вернется. Таким образом, винт можно заставить вращаться. При инвертировании процесса (быстрое растяжение, затем медленное сжатие) процесс меняется на противоположный, и винт поворачивается в противоположном направлении. Отличительной особенностью этой конфигурации является то, что она сохраняет большую часть исходной точности пьезоэлемента. Пикомоторы имеют разрешение около 30 нанометров в огромном диапазоне хода, обычно 25 мм, они обычно используются для оптической фокусировки и юстировки, и их можно купить на eBay примерно за 100 долларов. О, и их также можно использовать для создания музыки. Избранное включает Stairway to Heaven , и не 1, а 2 версии Still Alive (от Portal). Обязательная демонстрация Imperial March приведена здесь:

Существует множество других конфигураций пьезоэлементов, но обычно они используются для обеспечения движения с высокой силой и точностью. Я документирую еще несколько в своем блоге.

Магнитострикционные приводы

Магнитострикция — это тенденция материала изменять форму под действием магнитного поля. В последнее время мы много говорим о магнитострикции. Однако, как и пьезоэлементы, его также можно использовать для высокоточного движения. В отличие от пьезоэлементов, для их работы требуется относительно низкое напряжение, и они нашли свое нишевое применение.

Магнитореологическое движение

Магнитореологические (МР) жидкости просто потрясающие! Как и феррожидкости, жидкости MR реагируют на изменения напряженности магнитного поля. Однако, в отличие от феррожидкостей, меняется их вязкость.

Эта новая характеристика нашла применение в ряде областей. В частности, отделка точных зеркал и линз, используемых в полупроводниковых и астрономических приложениях. Этот метод использует электромагнит для изменения вязкости суспензии, используемой для полировки зеркал, удаляя дефекты. Высокоточные зеркала телескопа Хаббл, по-видимому, были изготовлены с использованием этой техники (хотя, надеюсь, не то зеркало ). Вы можете приобрести жидкость MR в небольших количествах за несколько сотен долларов.

Электростатические двигатели

В то время как магнитные двигатели работают за счет притяжения и отталкивания магнитных полей, электростатические двигатели используют притяжение и отталкивание электрических изменений для создания движения. Электростатические силы на порядки или величины меньше, чем магнитные. Однако у них есть нишевые приложения. Одним из таких приложений являются двигатели MEMS, миниатюрные (часто менее 0,01 мм) двигатели, изготовленные из наночастиц. В этих масштабах электромагнитные катушки были бы слишком велики, а удельная мощность (мощность на единицу объема) важнее, чем величина общей силы.

Звуковые катушки и гальванометры

Звуковая катушка — ваш основной электромагнит. Они обычно используются в динамиках, где электромагнит в диффузоре взаимодействует с неподвижным магнитом, создавая движение. Однако конфигурации, подобные звуковой катушке, используются для точного управления движением в других местах (например, для фокусировки линзы оптического привода или позиционирования считывающей головки жесткого диска). Однако одним из более интересных приложений является зеркальный гальванометр. Как следует из названия, устройство изначально использовалось для измерения малых токов. Ток через катушку двигал стержень, к которому было прикреплено зеркало. Луч света, отраженный от зеркала на стене, фактически создал очень длинную стрелку, усиливающую сигнал.

В наши дни амперметры, конечно, гораздо более чувствительны, но зеркальный гальванометр нашел более интересное применение:

Высокоскоростные лазерные «гальво» используются для позиционирования лазерного луча, производя удивительные световые шоу. Современные системы могут позиционировать лазерный луч со скоростью в килогерц, создавая поразительные изображения. Эти системы представляют собой высокоскоростную векторную графику, аналогичную системам рисования линий, что приводит к ряду интересных алгоритмических задач. Платформа Marcan OpenLase предоставляет множество инструментов для эффективного решения этих задач, и ее стоит попробовать.

В этой статье я попытался выделить некоторые интересные и малоизвестные методы создания движения в электронных системах. Большинство из них имеют нишевое научное, промышленное или художественное применение. Но я надеюсь, что они также вдохновят вас, когда вы будете работать над своими собственными лайфхаками! Если у вас есть любимый, менее известный актуатор или двигатель, оставьте комментарий ниже!

9 августа 2014 г. Джеймс Хобсон

[Стивен Дюфресн] из Rimstar.org снова приступил к другому очень функциональному научному эксперименту. На этой неделе он показывает нам, как он сделал большой электростатический двигатель, также известный как Corona Motor.

В двигателе Corona используется крутой феномен
, называемый коронным разрядом, который представляет собой ионизацию жидкости
(в данном случае воздуха), окружающей проводник, находящийся под напряжением.